兩個彼此相互作用後的物體，無論相隔多遠，只要一方狀態發生改變，那麼另一方的狀態會同時發生相同的改變。這並不是魔法，而是“量子糾纏”現象。
量子力學自問世以來，便掀起了一次世界範圍的“量子革命”。核能、通信、互聯網、計算機等等如今不可或缺的應用，都是基於量子力學的衍生品。而對於“量子糾纏”，人們所知甚少。什麼是“量子糾纏”、它是否真的存在、究竟如何實現等等問題，讓世界各國科研工作者爭論不休。這個被愛因斯坦形容為“鬼魅般超距作用”的現象，成為人們探索微觀世界的一道繞不開的難題。
2016年，世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”在中國酒泉衛星發射中心升空，成功實現了千公里級星地雙向量子糾纏分發。2017年，國際上首條千公里級光纖量子通信骨幹網“京滬幹線”開通，標誌著基於量子糾纏原理的量子信息技術從理論走向了應用。同年，領銜兩項項目研究的潘建偉被《自然》雜誌評選為“2017年度改變世界的十大科學人物”。
“火藥把騎士階層炸得粉碎，指南針打開了世界市場並建立了殖民地，而印刷術則變成了新教的工具。”這是馬克思對中國古代科技創造成果的評價。曾經，中國的“四大發明”改變了世界。在沉寂千年之後，如今，一批批中國科技工作者，正在引領中國的“科技復興”，讓中國重新成為世界科技發展的“領跑者”。
從落後“跟跑”到“並跑”“領跑”，一場由中國主導的“新科技革命”，正在悄然進行。
一場全新的通信革命
“量子信息技術是通過對量子疊加、量子糾纏等量子力學基本想象的實驗檢驗，進而發展對量子系統進行精確操控，並系統性地應用於量子信息領域的一項技術。”第五屆中國青年科學技術者協會會長、中國科學技術大學常務副校長、中科院院士潘建偉告訴記者，“而量子通信是量子信息技術中最先走向實用化的技術。”
據潘建偉介紹，量子通信是一種原理上不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信手段，任何形式的干擾，都會改變量子態，破壞原有的信息。
“信息安全對國家的意義不言而喻。而且同個人生活也是密切相關，比如銀行賬戶的信息不會被洩露。未來的無人駕駛中，遠程控制車輛的系統如果被黑客入侵，車輛行駛的安全就得不到保障等等。”潘建偉說。
（潘建偉）
1996年，在中科大近代物理系碩士畢業的潘建偉，來到奧地利因斯布魯克大學修習量子力學。在那裡，他第一次叩開了量子信息世界的大門。
“我瞭解到，這門科學可以實現利用任何經典手段都無法完成的信息功能，可以在提高運算速度、確保信息安全、提高測量精度等方面突破經典信息的極限，可以帶來極大的應用價值並具有重大的科學意義，勢必會推動整個信息產業的技術革命。”潘建偉說。
為了讓中國跟上世界科技發展的步伐，留學時期的潘建偉，每年都利用假期回到母校中科大講學，帶動了一批研究人員進入量子信息領域，並在畢業後，回國組建了量子物理與量子信息實驗室。
2003年，潘建偉帶領團隊開始進行長距離量子糾纏實驗。從十公里、百公里，再到千公里，潘建偉團隊在一次次突破世界“首次”記錄的同時，也讓中國成為了量子信息技術的領路者。
隨著“墨子號”量子科學實驗衛星和“京滬幹線”的“天地連線”，天地一體化廣域量子通信技術實現了從理論走向應用的突破。2018年，“墨子號”量子衛星首次實現了北京和維也納之間相距約7600公里的洲際量子保密通信。這一成果也被美國物理學會評選為2018年度國際物理學十大進展之一。
潘建偉告訴記者，“墨子號”實驗結果表明，“星地量子密鑰”的傳輸效率，比傳統通信傳輸高出20個數量級，也就是提升萬億億倍。同時，通過“天地鏈路”，地面光源每秒產生8000個“量子隱形傳態事例”，向衛星發射糾纏光子，均以大於99.7%的置信度超越經典極限。假設在同樣長度的光纖中重複這一工作，需要3800億年，才能觀測到1個事例。
“目前，我們已經充分驗證了基於衛星實現全球化量子通信的可行性，構建了首個天地一體化廣域量子通信網絡的雛形，將全面服務於國家信息安全。”潘建偉說，“正是受到我國的引領，美國、德國、英國等傳統的科技強國都加快了量子信息領域的戰略佈局，國家級科技計劃先後啟動，反過來對我國的領先優勢發起強烈衝擊。同時，在量子計算方面，我國也具備了和發達國家進行競爭的實力。”
潘建偉表示，下一步，他的研究團隊將努力擴大量子通信技術的覆蓋範圍，降低成本，爭取早日惠及大眾。在他看來，全球量子通信時代即將到來。
一雙中國的“智能千里眼”
人類能夠看見周圍的物體，得益於光的存在。隨著人們對光學以及光學工程的不斷探索研究和應用拓展，如遙感、監控、智慧城市、無人駕駛、LED顯示屏、4K高清電影、全息影像、VR顯示等等光學技術相關的發展成果，如今已經融入到了生活的各個角落。當然，對光學相關的技術應用，還遠遠不止於此。
第五屆中國青年科技工作者協會副會長、西北工業大學教授李學龍，從事光學影像的研究已經20餘年，“光學影像，主要包括拍攝和數據分析處理兩部分內容，以及這兩部分之間的互相影響和促進。”李學龍介紹。
（李學龍）
有別於普通攝像的是，李學龍所拍的影像不僅有人眼可見的，還有人眼看不見的。
李學龍舉了一個例子，“海灣戰爭時有很多假坦克，但並沒有浪費導彈。因為不同物質的光譜不同，在普通光學相機觀測下，假坦克和真的看起來很像，但在光譜成像下，鋼鐵和木頭、紙殼等都分開了。”他說，“眼見未必為實，眼不見的未必就不存在。未來多譜段多維度的觀測和探測手段，將成為打開人們觀察世界新通道的金鑰匙。”
為了能夠在光學探索這條“尋寶”之路上留下中國身影，2009年，獲得英國倫敦大學終身教職已經三年、併成為領域頂級期刊《IEEE圖像處理彙刊》有史以來首位中國大陸編委的李學龍，自薦回國。
不論樹的影子有多長，它永遠和根連在一起，而樹的根永遠紮在土裡。人生的意義在於最大限度地發揮自身價值，科技工作者更是如此。 ”李學龍說。
在李學龍看來，他只不過是中國光學研究中的一個“工兵”——學工科的小兵。“幾個通宵不睡覺、連續幾天待在實驗室不回家都是正常的，領域內知識更新非常快，若想輕鬆享受一個短短的假期，就有可能掉隊。”李學龍說。
在持續高強度的工作下，今年剛剛四十出頭的李學龍，已有半頭白髮，他打趣道：“這樣看上去成熟，也更像個科學工作者。”
在李學龍的帶領下，他的團隊先後提出了基於監督張量分析的光學影像處理方法，和計算協同的光學影像處理前置方法，構建了光學成像與計算一體化系統，解決了光學影像數據從向量化到張量化處理、光學影像高分辨率重建中的失衡問題及在超低維空間類別不可分的難題。
團隊還設計出世界上第一臺多分辨率相機，能在同一時刻對同一場景獲取不同分辨率的影像，對研究不同分辨率的影像之間本質的關係和聯繫提供了基礎平臺。
隨著科研團隊一步步走向世界領域前沿，李學龍有了更大的“野心”。
為了突破自然光的束縛，將光的作用發揮到極致，李學龍又把目光放到了光無法觸及的角落——海底世界。
“從經濟角度來說，海洋有豐富的甚至未知的礦產資源、生物資源、運輸資源、考古資源、旅遊資源等，可以帶來巨大的GDP；從國防角度來說，‘水下國門洞開’是任何一個有較長海岸線的科技強國都不希望的，海防安全就是最大的國家安全。”李學龍說。
李學龍認為，未來是屬於海洋的時代，誰先揭開海洋的神秘面紗，誰就將在未來的競爭中贏得主動。“對海洋的探索、利用和保護，甚至比航空航天還要更受關注，無論如何，我們不能錯過這樣的良機。”
意識到這一點後，李學龍立即帶領團隊，推進“水下光學”和“海洋光學”的研究和工程應用。
高壓、漆黑、冰冷，是人類對深海世界的僅有認知。由於海水對光的強吸收和散射作用，幾十米深的海底便如同嚴重霧霾天。如何提升水下成像的質量和作用距離是一項世界級難題。
團隊成員在進行水下偏振成像、水下激光掃描成像、水下距離選通成像等技術研究後，原創性地提出水下軟距離選通成像技術，打破了現有水下成像的極限作用距離。
同時，團隊提出了海洋環境適配的光學影像處理方法，建立了一整套具有自主知識產權的深海光學影響獲取與增強的裝備技術架構，解決了深海下壓力大、光散射強等環境因素造成的成像難、成像差問題，併成功研製出了我國首臺全海深高清相機——“海瞳”。
“海瞳”相機參加了2017年中國科學院深淵科考隊TS03航次，順利完成科考任務。在馬裡亞納海溝，先後3次下潛至七千米深度、2次下潛至萬米深度，最大潛深達10909米；實際採集到長達12小時的萬米高清視頻數據，並首次記錄下位於8152米深處的獅子魚，這是國際上觀測到魚類生存的最大深度。
目前，李學龍團隊的多譜段多維度等技術已經在我國深遠海、地球觀測等方面有著普遍應用，李學龍的下一步研究重點，是如何擴大光學理論和光學工程技術的應用領域，讓它更貼近人們的日常生活。“隨著技術不斷提升，多譜段多維度成像和影像處理的裝備將為精準農業、環境汙染監測、草原鼠害防治以及更廣泛的海洋觀測利用等方面提供解決方案，成為一個‘智能千里眼’。”李學龍說。
一支輕裝前行的偵察
把大象裝進粉筆盒，這聽起來是一件不可能的事情。但對於戴慶來說，卻是家常便飯。
第五屆中國青年科技工作者協會理事、國家納米科學中心納米光子學研究部負責人戴慶告訴記者，他所從事的納米光子學研究，是在納米尺度上的光操控技術。“把百納米波長的光，壓縮到在幾個納米的尺度上做調控。也就是說，不僅需要把大象裝進粉筆盒，還要驅使大象在裡面自由活動，難度可想而知。”
（戴慶）
隨著信息技術的不斷髮展，光電子器件的需求越來越大，納米光子學這門新興學科的分量隨之也越來越重。
戴慶介紹到，“像CPU從以前幾十納米制成發展到現在7納米、5納米的製成，要想實現光電轉化，光也得匹配到幾納米尺度上去。比如軍事應用層面中的雷達、隱身設備，還有日常生活中的光電芯片、通訊電纜、基站端口、生物檢測、能源領域裡的增透減反等等都會用到納米光子學的概念。”
2012年，英國劍橋大學博士畢業後的戴慶，回國加入了國家納米科學中心。彼時國內相關領域的研究，還處於一個“一窮二白”的狀況。
“我在博士期間一直研究的是碳納米管的電子發射性能，這個方向國內和國外基本上是同時起步在做的，但是因為碳納米管在國內的產業應用沒有走通，就很少有人堅持繼續做。”戴慶說，“但是我還是覺得這種電子發射的原理，跟傳統有質的不同，它有獨特性能，只是還沒有找到殺手鐧級的應用方式。所以回國以後還是一直堅持這方面的研究。”
在戴慶團隊“苦坐5年冷板凳”後，終於取得了突破性的進展。
2017年，戴慶團隊首次實現了基於碳納米管量子隧穿效應的可見光頻場致電子發射。戴慶打了個比方，“以機關槍為例，如果用電子發射代替傳統機械發射，可以實現每秒鐘打出一萬發子彈。而用光頻發射，則可以達到每秒鐘一億發子彈，而且子彈的質量和效果不受任何影響。”
“碳納米管的光頻發射電子技術，可以為以後製造高性能的太赫茲光源設備，提供關鍵部件。”戴慶說，“現在我國還生產不出小體積、便攜式的太赫茲光源設備，國際上也對中國禁運。太赫茲光源，在雷達、激光武器、隱身設備以及研究生命體蛋白的功能表達和活動等方面都有著關鍵的應用。”
除此之外，長期致力於材料領域研究的戴慶，在石墨烯的等離激元研究之始，也面臨著同樣的難題。
“等離激元是一種光電磁現象，它可以把三維的光束縛在材料表面上傳播。”戴慶介紹，“我回來研究等離激元的時候，國內實際上真正開展實驗研究的人很少，針對石墨烯等離激元的研究更少。”
戴慶告訴記者，“那時候大家對這項研究心裡沒底，經常測不到信號，實驗上難度太大，設備也不健全。所以我們團隊實際上是一直咬著牙在做。”
2015年，戴慶團隊發表了國內第一篇關於等離激元的實驗性文章。在此後四年時間裡，被《Nature Communications》引用過百次。“在我們這小眾領域，大家的認可度還是比較高的。”
戴慶說，關於石墨烯的等離激元研究，有助於掌握納米材料的紅外光譜信號。“光譜打到分子上，依靠對應光譜的缺位來判斷分子結構，是現在我們瞭解分子結構的主要方式。但納米材料相較於光，尺寸太小，對光來說就是透明的。而石墨烯的等離激元技術，通過對光進行壓縮增強，從根本上解決了這個難題，對我們未來進一步探索微觀世界有很大的意義。”
在戴慶看來，雖然目前我國的納米光子學研究，與國際上其他國家處於“並跑”局面，但依舊面臨著很大的考驗。光電領域中，特別是高端芯片上的一些卡脖子技術，影響著我國的信息集成和處理能力，關乎國家的戰略安全。
“作為科研人員，我們還需要繼續把基礎研究做好，把科研成果進行轉化，形成一些殺手鐧級的應用。”戴慶說，“實際上我們就是一支輕裝前行的偵察兵，看看這條路走不走的通，有多大的潛力，探索新路徑，打回第一手報告，這就是我們的本分和職責所在。”
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